(57)【要約】撮像画素、画像取得装置、指紋取得装置、および取得機能をサポートする表示装置を開示する。撮像画素は、光−電気変換部が収容されるキャビティ（１）を含む。光透過ピンホール（２）を有する遮光膜（３）は、キャビティ（１）を覆い、透明媒体層（４）およびマイクロレンズ（５）は、遮光膜（３）上に下から上に順次配置される。マイクロレンズ（５）、透明媒体層（４）および光透過ピンホール（２）は、撮像画素が、狭視野の物体側視野（６）を有するように設けられる。物体側視野（６）内の物体点の像点または像スポットは、遮光膜（３）の光透過ピンホール（２）内に入り、物体側視野（６）外の物体点の像点または像スポットは、光透過ピンホール（２）の外側に入る。遮光膜上のピンホール及びマイクロレンズは、入射光路を制限するので、撮像素子は、狭視野を有する。狭い視野を有する撮像画素に基づく画像取得装置は、レンズ系又はピンホール画像系を必要とせずに入射光路を制約することができるので、画像取得装置は、鮮明な画像を得つつ、他のデバイスと一体化するようにより薄くなることが可能となる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光−電気変換部が収容されるキャビティを備える撮像画素であって、
前記キャビティを覆う光透過ピンホールを有する遮光膜と、
前記遮光膜上に下から上へ順次配置された透明媒体層およびマイクロレンズと、を備え、
前記撮像画素の上方の設定領域内の物体平面の像面は、前記遮光膜が配置される平面に入り、
前記マイクロレンズ、前記透明媒体層及び前記光透過ピンホールは、前記撮像画素が、前記設定領域内の物体平面上に制限された視野角を有する物体側視野を有するように設けられ、
前記物体側視野内の物体点の像点または像スポットは、前記遮光膜の前記光透過ピンホール内に入り、
前記物体側視野外の物体点の像点または像スポットは、前記光透過ピンホールの外側に入る、
撮像画素。
【請求項２】
前記マイクロレンズは、湾曲した凸レンズである、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項３】
前記光透過ピンホールと前記マイクロレンズの中心を結ぶ線は、前記遮光膜の上面に垂直である、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項４】
前記撮像画素は、前記遮光膜の上面に垂直でない光軸を有する、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項５】
前記物体側視野に対応する画角は、１０度未満である、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項６】
前記遮光膜は、不透明材料からなる膜であり、前記遮光膜は、１００μｍ未満の厚さを有する、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項７】
アレイ状に配列された、請求項１から６のいずれか一項に記載のいくつかの撮像画素と、前記いくつかの撮像画素上に下から上に順次配置された低屈折率層および透明カバープレートと、を備え、
撮像画素のそれぞれに対応する前記透明カバープレートの上面上の物体側視野内の物体点の像点は、前記遮光膜の光透過ピンホール内に入り、前記物体側視野外の物体点の像点は、前記光透過ピンホールの外側に入る、画像取得装置。
【請求項８】
隣接する撮像画素間の信号クロストークを防止するために、マイクロレンズと遮光膜との間の透明媒体層に遮光壁が配置されている、請求項７に記載の画像取得装置。
【請求項９】
前記撮像画素の全ては、同一平面基板上に配置され、平行な光軸を有する、請求項７に記載の画像取得装置。
【請求項１０】
前記撮像画素は、前記透明カバープレートに対して凸または凹の湾曲した基板上に配置される、請求項７に記載の画像取得装置。
【請求項１１】
前記画像取得装置の前記撮像画素は、前記撮像画素の一つまたは一部を中心として、内側から外側に向かって規則的に配置され、中心としての前記撮像画素は、直交する物体側視野を有し、他の撮像画素は、それぞれ斜めの物体側視野を有し、中心から外側に向かって、前記各撮像画素の光軸は、外側に向かって徐々に斜めになり、前記光軸と前記遮光膜の上面とのなす角度は、徐々に小さくなる、請求項７に記載の画像取得装置。
【請求項１２】
請求項７から１１のいずれか一項に記載の画像取得装置を備える指紋取得装置。
【請求項１３】
指紋取得機能をサポートする表示装置であって、複数の表示画素を備え、請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像画素は、前記表示画素の間に配置される、表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年５月２５日に中国特許庁に提出された「撮像画素、画像取得装置、指紋取得装置および表示装置」と題する中国特許出願第２０１６１０３５７４１０．０号の優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本出願は、画像取得技術の分野に関し、特に、狭い画角を有する撮像画素、撮像画素を使用する画像取得装置、および光学指紋取得装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景技術
画像取得装置において、光信号を受信する最小単位は撮像画素であり、画像取得装置は、通常、いくつかの撮像画素を備えている。市販の画像取得制御装置で使用される撮像画素は、全て広視野角を有する。撮像画素の画角とは、撮像画素が応答可能な異なる方向からの入射光線によって形成される最大角度をいう。図１は、既存の画像取得装置における撮像画素の画角を示す模式図である。図１に示すように、既存の画像取得装置における撮像画素０１の画角は、１８０度近く、すなわち、入射光線０２間の最大角度は、１８０度近くである。
【０００４】
既存の画像取得装置を用いて直接画像を取得する場合、取得した画像は、通常、視野角が広いために鮮明ではない。この場合、レンズ系やピンホール結像系を用いて入射光路を制限して、各結像画素が物体側視野内のある角度の光線のみに応答して鮮明な画像を取得する必要がある。
【０００５】
レンズ系のような構造を用いるため、既存の撮像装置は、通常非常に厚い。しかしながら、電子機器は超薄型化が求められる傾向にあるため、厚型の画像取得装置は、メーカの要求を満たすことができない。したがって、超薄型化と鮮明な画像取得との両立が可能な狭視野の画像取得装置を提供することが求められている。
【発明の概要】
【０００６】
本出願の発明の目的は狭視野を有し、超薄型であるために製造業者の生産要件を満たすことができ、鮮明な画像を取得することができる画像取得装置、画像取得装置を用いた画像取得装置、指紋取得装置、指紋取得機能付き表示画面等を提供することである。
【０００７】
本出願の一態様によれば、光−電気変換ユニットが収容されるキャビティを含む撮像画素が提供される。光透過ピンホールを有する遮光膜がキャビティを覆い、透明媒体層およびマイクロレンズが遮光膜上に下から上に順に配置される。
【０００８】
撮像画素の上方の設定領域における物体面の像面は、遮光膜が位置する面上に位置する。マイクロレンズ、透明媒体層、および光透過ピンホールは、撮像画素が、設定された領域内の物体平面上に制限された画角を有する物体側視野を有するように設けられる。物体側視野内の物体点の像点または像スポットは、遮光膜の光透過ピンホール内に入り、物体側視野外の物体点の像点または像スポットは、光透過ピンホール外に入る。
【０００９】
好ましくは、マイクロレンズは、湾曲した凸レンズである。
【００１０】
好ましい解決策の一つとして、光透過ピンホールとマイクロレンズの中心を結ぶ線（以下、光軸と呼ぶ）は、遮光膜の上面に垂直である（この場合、直交物体側視野と呼ぶ）。
【００１１】
別の好ましい解決策として、光軸は、遮光膜の上面に垂直ではない（この場合、斜め物体側視野と呼ばれる）。
【００１２】
好ましくは、物体側の視野に対応する画角は１０度未満である。
【００１３】
遮光膜は不透明な材料からなる膜であり、その膜厚は１００μｍ未満である。
【００１４】
本出願の別の態様によれば、上述のいくつかの撮像画素を含む画像取得装置がさらに提供される。複数の撮像画素はアレイ状に配置され、いくつかの撮像画素の上に低屈折率層と透明カバー板が下から上に向かって順に配置される。
【００１５】
各撮像画素に対応する透明カバー板の上面における物体側視野内の物体点の像点は遮光膜の光透過ピンホール内に入り、物体側視野外の物体点の像点は、光透過ピンホール外にある。
【００１６】
好ましくは、隣接する撮像画素間の信号クロストークを防止するために、マイクロレンズと遮光膜との間の透明媒体層に遮光壁が配置される。
【００１７】
各撮像画素の物体側視野の画角は、α＝２ａｒｃｔａｎ（ｒｏｂｊｅｃｔ／ｈ）であり、ここで、ｒｏｂｊｅｃｔは撮像画素に対応する透明カバー板の上面における物体側視野の半径であり、ｈは、透明カバー板の上面から光透過ピンホールの中心までの高さである。
【００１８】
好ましい解決策の１つとして、画像取得装置に含まれる撮像画素の全ては、直交する物体側視野を有し、同じ平面基板上に配置される。
【００１９】
好ましい解決策の１つとして、画像取得装置に含まれる全ての撮像画素は、同じ斜めの物体側の視野を有し、平行な光軸を有し、同一平面基板上に配置される。
【００２０】
好ましい解決策の１つとして、撮像画素は、透明カバープレートに対して凸状または凹状の湾曲した基板上に配置される。
【００２１】
好ましい解決策の一つとして、画像取得装置に含まれる撮像画素は、撮像画素の一つまたはいくつかを中心として、内側から外側に向かって規則的に配置され、中央の撮像画素は直交する物体側視野を有し、他の撮像画素は斜めの物体側視野を有し、中央から外側に向かって各撮像画素の光軸は外側に向かって徐々に斜めになり、光軸と遮光膜の上面との角度は徐々に小さくなる。
【００２２】
本出願のさらに別の態様によれば、上述の画像取得装置を含む指紋取得装置がさらに提供される。
【００２３】
本出願のさらに別の態様によれば、指紋取得機能をサポートする表示装置であって、いくつかの表示画素を含む表示装置が提供される。上述した撮像画素は、表示画素の間に配置されている。
【００２４】
以上の技術的解決策から、本願の撮像画素は透明媒体層とマイクロレンズを内蔵しており、遮光膜とマイクロレンズのピンホールを利用して入射光路を制限することができ、撮像画素の視野が狭く、画角が小さいことがわかる。したがって、撮像画素を用いた画像取得装置はレンズ系やピンホール撮像系を介さずに入射光路を制限することができ、鮮明な画像を取得しながら薄型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明の実施形態または従来技術における技術的解決策をより明確に説明するために、実施形態の添付図面を以下に簡単に説明する。明らかに、以下の説明における添付の図面は単にいくつかの実施形態を示しているに過ぎず、当業者または当業者は創造的な努力なしに添付の図面から他の図面を導き出すことができる。
【００２６】
【図１】図１は、従来の画像取得装置における撮像画素の画角を示す模式図である。
【図２】図２は、好ましい実施形態による撮像画素を示す概略構造図である。
【図３】図３は、別の好ましい実施形態による撮像画素を示す概略構造図である。
【図４】図４は、好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。
【図５】図５は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。
【図６】図６は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。
【図７】図７は、特定の実施形態に係る画像取得装置の構造パラメータを示す図である。
【図８】図８は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。
【図９】図９は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。
【図１０】図１０は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。
【図１１】図１１は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。
【図１２】図１２は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。
【図１３】図１３は、好ましい実施形態による指紋取得機能をサポートする表示装置を示す概略構造図である。
【００２７】
備考：明瞭化のために、図５、図６、図９、図１０、図１１および図１２には、各撮像画素の光軸のみが示されている。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施形態による技術的解決策がより明確かつ完全になるように、本発明の実施形態について添付の図面を参照して、本発明の例示的な実施形態を以下により詳細に説明する。明らかに、記載された実施形態は、本発明の実施形態の全てではなく、単にいくつかである。創造的な努力なしに本出願の実施形態に基づいて当業者によって達成される全ての他の実施形態は、本出願の保護範囲内に入るものとする。
【００２９】
図２は、好ましい実施形態による撮像画素を示す概略構造図である。図２に示すように、撮像画素は、光−電気変換ユニットが収容されるキャビティ１を含む。光透過ピンホール２を有する遮光膜３は、キャビティ１を覆う。遮光膜３上には、透明媒質層４およびマイクロレンズ５が下から上に向かって順に配置されている。好ましくは、本願のマイクロレンズ５が湾曲した凸レンズである。光透過ピンホール２とマイクロレンズ５との中心を結ぶ線（光軸）は遮光膜３の上面に垂直であり、物体側視野の中心は、撮像画素の中心法線上にある（ここでは直交物体側視野を示す）。好ましくは遮光膜３が不透明な材料からなる膜であり、遮光膜３の厚さは１００μｍ未満である。
【００３０】
撮像画素の上方の設定領域における物体面の像面は、遮光膜が位置する面上に位置する。本願における撮像画素の画角は、光透過ピンホール２、マイクロレンズ５、透明媒質層４の構造を用いて制限すればよい。この画角は、物体側の視野６に対応する。様々な実施形態における好ましい実施形態として、この実施形態における撮像画素の視野角は、１０度未満である。視野角を限定する物体側視野６内の物体点の像点または像点は遮光膜３の光透過ピンホール２内に入り、物体側視野６外の物体点の像点または像点は光透過ピンホール２外に入る。本出願における撮像画素の物体側視野は、狭い物体側視野と呼ぶことができる。
【００３１】
なお、撮像画素の画角が１０度未満であるのは一例に過ぎず、マイクロレンズの焦点距離、透明媒質層の厚さ、光透過ピンホールの大きさを製造要件に応じて調整することで、当業者は対応する画角を達成することができる。
【００３２】
以下、本実施形態における撮像画素の動作原理について詳細に説明する。
【００３３】
この実施形態では、本出願における撮像画素の視野角は、光透過ピンホール、マイクロレンズ、および透明媒体層の構造を使用して制限され、制限された物体側視野内の対応する物体点の像点または像スポットは、主に遮光膜３の光透過ピンホール２内に入り、物体側視野内の物体点によって放出された光はピンホールを通ってキャビティ１内に入る。これに対応して、光−電気変換部は、より高い強度の光を受け取ることができ、その結果、物体側の視野内の物体の画像を明確に形成することができる。物体側視野外の物体点の像点または像点は、主に光透過ピンホール２の外にあるため、物体側視野外の物体点が発する光を光−電気変換部が感知できず、または弱い光のみを感知できず、物体側視野外の物体の画像を取得できず、または取得した部分は物体側視野内からの光による光−電気変換部での撮像に影響を与えない。
【００３４】
本実施形態の撮像画素は市販の画像取得装置に用いられる撮像画素と比較して、厚い透明媒体層４とマイクロレンズ５とを内蔵しており、遮光膜３及びマイクロレンズ５のピンホールを利用して入射光路を撮像画素自体で制限することができ、撮像画素の視野が狭く、画角が小さい。したがって、撮像画素を用いた画像取得装置は、レンズ系やピンホール撮像系を用いずに、入射光路を制限することができ、鮮明な画像を取得することができる。また、マイクロレンズ等を備えた市販のイメージセンサもあるが、その目的は斜め入射時の入射光量を増加させることであり、撮像画素の視野を狭くできる本願のマイクロレンズの対物や実施方法とは本質的に異なる。
【００３５】
図３は、他の実施形態に係る撮像画素の概略構成図である。図３に示す撮像画素の構造は、図３に示す撮像画素の光軸が遮光膜３の上面に垂直でないこと、すなわち図３に示す撮像画素の光軸が遮光膜３の上面に対して斜めに設定されていること以外は図２に示す撮像画素の構造と同様であり、物体視野の中心が撮像画素の中心法線上にないようになっている（この場合、斜め物体側視野）。同様に、光透過ピンホール２、マイクロレンズ５、および透明媒体層４によって制限された斜め物体側視野６内の物体点の像点または像点は、遮光膜３の光透過ピンホール２内に入り、斜め物体側視野６外の物体点の像点または像点は、光透過ピンホール２外に入る。様々な実施形態における好ましい実施形態として、この実施形態における斜めの物体側視野６に対応する視野角は、１０度未満である。本願において、光透過ピンホール２とマイクロレンズ５との中心を結ぶ線と遮光膜３の上面とのなす角度の値は、特に限定されず、当業者であれば、製造要求に応じて、光透過ピンホール２とマイクロレンズ５との中心を結ぶ線と遮光膜３の上面とのなす角度を設定することができる。
【００３６】
図３に示す撮像画素の動作原理は、図２に示す撮像画素と同様であるので内容を省略する。
【００３７】
図４は、好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。図４に示されるように、画像取得装置は、図２または図３に示されるいくつかの撮像画素を含む。複数の撮像画素は、アレイ状に配置され、一体的に形成される。低屈折率層８および透明カバープレート９は、下から上へ、いくつかの撮像画素の上に順次配置される。
【００３８】
画像取得中、各撮像画素に対応する透明カバープレートの上面上の物体側視野１０内の物体点の画像点は、遮光膜３の光透過ピンホール２内に入る。物体側視野外の物体点の像点は、光透過ピンホール２の外にある。各撮像画素の物体側視野の画角は、α＝２ａｒｃｔａｎ（ｒｏｂｊｅｃｔ／ｈ）であり、ここで、ｒｏｂｊｅｃｔは、撮像画素に対応する透明カバー板の上面における物体側視野の半径であり、ｈは、透明カバープレートの上面から光透過ピンホール２の中心までの高さである。
【００３９】
図５は、好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。図５に示す画像取得装置の構造は、図４に示す画像取得装置の構造と同様であるが、隣接する撮像画素間において、撮像画素間の信号クロストークを防止するために、光−電気変換部が収容されるキャビティ１に近接するマイクロレンズ５と遮光膜３との間の透明媒体層４に遮光壁１１が設けられている点が異なる。図５に示すように、物体側の左右からのクロストーク光線（図中破線で示す）は、レンズ５を通過した後、遮光壁１１で遮光および吸収される。
【００４０】
図６は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。図６に示す画像取得装置の構造は、図４に示す画像取得装置の構造と同様であるが、撮像画素間の信号クロストーク（図中、破線で示す）を防止するために、マイクロレンズ５とマイクロレンズ５に近接する遮光膜３との間の透明媒体層４に遮光壁１１が配置されている点が異なる。
【００４１】
狭い物体側視野を有する撮像画素を使用する画像取得装置の構造設計を、典型的な実施形態を参照してさらに説明する。図７は、特定の実施形態における画像取得装置の構造パラメータを示す図である。図７に示すように、透明カバープレートの厚さは１．０ｍｍ、屈折率は１．５２である。低屈折率層は、厚さが５μｍ（透明カバープレートの下面からマイクロレンズ層の上部まで）であり、屈折率が１．０であり、低屈折率層は空気または真空である。透明媒体層の屈折率は１．４６であり、厚さは１６μｍ（マイクロレンズの厚さを含み、１６μｍはマイクロレンズの上部から遮光膜の上部表面までの厚さを示す）である。遮光膜は厚さが５００ｎｍであり、不透明な金属材料からなる。ピンホールは、直径５００ｎｍの丸いピンホールであり、光学エッチングにより形成される。ピンホールの中心は、撮像画素の中心と一致している。撮像画素は、一辺が５．８６μｍの正方形である。マイクロレンズは半径５μｍの球面凸レンズであり、レンズの中心は感光画素の中心と位置合わせされる。
【００４２】
計算及びシミュレーション結果によれば、狭視野の撮像画素の物体側視野の（透明カバープレートの上面上の）直径は、３０μｍである。したがって、撮像画素に対応する透明カバープレートの上面における物体側視野の半径は１５μｍとなる。図形のパラメータから、ｈ＝１０００＋５＋１６＝１０２１μｍであることがわかり、数式２ａｒｃｔａｎ（ｒｏｂｊｅｃｔ／ｈ）により、画像取得装置の画角は１．６８°と算出できる。
【００４３】
このように画角を満たす物体側視野内の光は透明カバープレート、低屈折率層、マイクロレンズ５、透明媒質層４、光透過ピンホール２による制限により、入射光を光電変換部に集束的に制限されることができ、画角を超えた光は光電変換部に到達することができず、鮮明な画像が形成される。さらに、撮像画素が透明媒体層４およびマイクロレンズ５を組み込んでいるので、従来のレンズ系は不要であり、その結果、画像取得装置を超薄型に向けて開発することができる。
【００４４】
図８は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。図８に示す画像取得装置の構造は、斜めの物体側視野を有する撮像画素を用いる以外が図４に示す画像取得装置の構造と同様である。場合によっては、例えば、指紋画像取得中に、指紋表面上の溝構造により、斜めの物体側視野を有する撮像画素を使用する画像取得装置は、より鮮明な画像を取得することができ、迷光周囲光からの干渉がより少ない。
【００４５】
図９は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。図９に示す画像取得装置の構造は、図４に示す画像取得装置の構造と同様であるが、直交する物体側視野を有する撮像画素と、斜めの物体側視野を有する撮像画素との両方を使用する点が異なる。中央領域には直交する物体側視野を有する撮像画素があり、中央領域の外側には斜めの物体側視野を有するすべての撮像画素がある。中心領域から外側に向かうにつれて、画素の光軸（例えば、図９における光軸１４および光軸１５）は外方に向かって徐々に斜めになり、光軸と遮光膜の上面との角度は徐々に小さくなり、各画素の光軸は放射状に分布する。この特殊な撮像画素配列は、画像取得装置の物体側視野（単一の撮像画素の物体側視野とは異なる画像取得装置の撮像範囲を参照する）を拡張して、より広い空間範囲内の画像を明確に取得することができる。
【００４６】
図１０は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。図１０に示す画像取得装置の構造は、図４に示す画像取得装置の構造と同様であるが、撮像画素が透明なカバープレートに凸の湾曲した基板１２上に配置され、これもまた、画像取得装置の物体側視野を拡大し、より広い空間範囲内の画像を明瞭に取得することができる。
【００４７】
図１１は、他の実施形態に係る画像取得装置を示す概略構成図である。図１１に示す画像取得装置の構造は、図４に示す画像取得装置の構造と同様であるが、撮像画素が透明なカバープレートに対して凹状の湾曲した基板１２上に配置され、これもまた、より遠い標的に対して画像取得装置の物体側視野を拡大して、より広い空間範囲内の画像を明確に取得することができる点が異なる。
【００４８】
図１２は、別の好ましい実施形態による画像取得装置を示す概略構造図である。図１２に示す画像取得装置の構造は図４に示す画像取得装置の構造と同様であるが、撮像ピクセルが透明なカバープレートに対して凹状の湾曲した基板１２上に配置され、より近いターゲットに対して画像取得装置の物体側視野を狭くすることができ、小さな物体側視野をより大きな撮像空間に明瞭に拡大し、それにより、形成される画像の拡大を達成することが可能である点が異なる。
【００４９】
本出願の別の態様によれば、上述の様々な実施形態による画像取得装置を含む、指紋取得装置がさらに提供される。
【００５０】
本出願のさらに別の態様によれば、指紋取得機能をサポートする表示装置がさらに提供される。図１３は、好ましい実施形態による指紋取得機能をサポートする表示装置を示す概略構造図である。図１３に示すように、表示装置は、複数の表示画素６０１と、表示パネル６０２とを備えている。表示画素６０１の間には、上述した画角が設定された撮像画素６０３が配置されている。本実施形態における撮像画素６０３の画角は、より狭い物体側視野に相当する。撮像画素は、アレイ状に配置されている。被写体側の視野が狭い撮像画素６０２は、表示パネル上で押下された指紋の鮮明な指紋画像を取得することができる。反対に、撮像画素がより広い物体側視野（広い物体側視野とも呼ばれる）を有する場合、隣接する撮像画素の物体側視野は重なり合い、図１３に示されるように、ぼやけた出力画像をもたらす。
【００５１】
以上の技術的解決策から、本願の撮像画素は、透明媒質層４とマイクロレンズ５を内蔵しており、遮光膜３とマイクロレンズ５のピンホールを利用して入射光路を制限することができ、撮像画素の視野が狭く、画角が小さいことがわかる。したがって、撮像画素を用いた画像取得装置は、レンズ系やピンホール撮像系を介さずに入射光路を制限することができ、鮮明な画像を取得しながら薄型化することができる。
【００５２】
当業者は、本明細書を考慮し、本明細書に開示された本発明を実施することによって、本出願の他の実施の解決策を容易に理解することができる。本出願は、本出願の一般原則に従い、本開示において開示されておらず、開示されておらず、当該技術分野における一般的な一般知見または従来の技術的手段を含む、本出願のいかなる変形、目的、または適応をも包含することが意図される。明細書および実施形態は、単に例示の目的のためであり、本願の真の範囲および精神は、以下の特許請求の範囲の対象である。
【００５３】
本出願は、本出願の範囲から逸脱することなく様々な修正および変更を行うことができる図面に示される前述の正確な方法に限定されないことを理解されたい。本願は、添付の特許請求の範囲にのみ従う。
【図１】
2019519922.tif 000003
【図２】
2019519922.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2019519922.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2019519922.tif 000012
【図１１】
2019519922.tif 000013
【図１２】
2019519922.tif 000014
【図１３】
2019519922.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月18日(2019.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光−電気変換部が収容されるキャビティを備える撮像画素であって、
前記キャビティを覆う光透過ピンホールを有する遮光膜と、
前記遮光膜上に下から上へ順次配置された透明媒体層およびマイクロレンズと、を備え、
前記撮像画素の上方の設定領域内の物体平面の像面は、前記遮光膜が配置される平面に入り、
前記マイクロレンズ、前記透明媒体層及び前記光透過ピンホールは、前記撮像画素が、前記設定領域内の物体平面上に制限された視野角を有する物体側視野を有するように設けられ、
前記物体側視野内の物体点の像点または像スポットは、前記遮光膜の前記光透過ピンホール内に入り、
前記物体側視野外の物体点の像点または像スポットは、前記光透過ピンホールの外側に入る、
撮像画素。
【請求項２】
前記マイクロレンズは、湾曲した凸レンズである、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項３】
前記光透過ピンホールと前記マイクロレンズの中心を結ぶ線は、前記遮光膜の上面に垂直である、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項４】
前記撮像画素は、前記遮光膜の上面に垂直でない光軸を有する、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項５】
前記物体側視野に対応する画角は、１０度未満である、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項６】
アレイ状に配列された、請求項１から５のいずれか一項に記載のいくつかの撮像画素と、前記いくつかの撮像画素上に配置された透明カバープレートと、を備え、
撮像画素のそれぞれに対応する前記透明カバープレートの上面上の物体側視野内の物体点の像点は、前記遮光膜の光透過ピンホール内に入り、前記物体側視野外の物体点の像点は、前記光透過ピンホールの外側に入る、画像取得装置。
【請求項７】
隣接する撮像画素間の信号クロストークを防止するために、マイクロレンズと遮光膜との間の透明媒体層に遮光壁が配置されている、請求項６に記載の画像取得装置。
【請求項８】
前記撮像画素の全ては、同一平面基板上に配置され、平行な光軸を有する、請求項６に記載の画像取得装置。
【請求項９】
前記撮像画素は、前記透明カバープレートに対して凸または凹の湾曲した基板上に配置される、請求項６に記載の画像取得装置。
【請求項１０】
前記画像取得装置の前記撮像画素は、前記撮像画素の一つまたは一部を中心として、内側から外側に向かって規則的に配置され、中心としての前記撮像画素は、直交する物体側視野を有し、他の撮像画素は、それぞれ斜めの物体側視野を有し、中心から外側に向かって、前記各撮像画素の光軸は、外側に向かって徐々に斜めになり、前記光軸と前記遮光膜の上面とのなす角度は、徐々に小さくなる、請求項６に記載の画像取得装置。
【請求項１１】
請求項６から１０のいずれか一項に記載の画像取得装置を備える指紋取得装置。
【請求項１２】
指紋取得機能をサポートする表示装置であって、複数の表示画素を備え、請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像画素は、前記表示画素の間に配置される、表示装置。
【請求項１３】
前記物体側視野に対応する画角は、１．６８度以下である、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項１４】
前記物体側視野は、前記透明カバープレートの上面上に１５μｍ以下の半径を有する、請求項１に記載の撮像画素。
【請求項１５】
前記いくつかの撮像画素と前記透明カバープレートとの間に低屈折率層が設けられる、請求項６に記載の撮像画素。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
狭い物体側視野を有する撮像画素を使用する画像取得装置の構造設計を、典型的な実施形態を参照してさらに説明する。図７は、特定の実施形態における画像取得装置の構造パラメータを示す図である。図７に示すように、透明カバープレートの厚さは１．０ｍｍ、屈折率は１．５２である。低屈折率層は、厚さが５μｍ（透明カバープレートの下面からマイクロレンズ層の上部まで）であり、屈折率が１．０であり、低屈折率層は空気または真空である。透明媒体層の屈折率は１．４６であり、厚さは１６μｍ（マイクロレンズの厚さを含み、１６μｍはマイクロレンズの上部から遮光膜の上部表面までの厚さを示す）である。遮光膜は厚さが５００ｎｍであり、不透明な金属材料からなる。ピンホールは、直径５００ｎｍの丸いピンホールであり、光学エッチングにより形成される。ピンホールの中心は、撮像画素の中心と一致している。撮像画素は、この図に示される水平方向において一辺が５．８６μｍの正方形断面を有する。マイクロレンズは半径５μｍの球面凸レンズであり、レンズの中心は感光画素の中心と位置合わせされる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
計算及びシミュレーション結果によれば、狭視野の撮像画素の物体側視野の（透明カバープレートの上面上の）直径は、３０μｍである。したがって、撮像画素に対応する透明カバープレートの上面における物体側視野の半径は１５μｍとなる。図形のパラメータから、ｈ＝１０００＋５＋１６＝１０２１μｍであることがわかり、数式２ａｒｃｔａｎ（ｒｏｂｊｅｃｔ／ｈ）により、画像取得装置の画角は１．６８°と算出できる。当業者は、対応するパラメータを変更することにより、狭視野の撮像画素の物体側視野は、３０μｍ未満の直径を有することができる、すなわち、撮像画素に対応する透明カバープレートの上面上の物体側視野の半径は、１５μｍ未満であることができ、実際に用途の要件に従って、画像取得装置の画角は、１．６８度未満であることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
本出願のさらに別の態様によれば、指紋取得機能をサポートする表示装置がさらに提供される。図１３は、好ましい実施形態による指紋取得機能をサポートする表示装置を示す概略構造図である。図１３に示すように、表示装置は、複数の表示画素６０１と、表示パネル６０２とを備えている。表示画素６０１の間には、上述した画角が設定された撮像画素６０３が配置されている。本実施形態における撮像画素６０３の画角は、より狭い物体側視野に相当する。撮像画素は、アレイ状に配置されている。被写体側の視野が狭い撮像画素６０３は、表示パネル上で押下された指紋の鮮明な指紋画像を取得することができる。反対に、撮像画素がより広い物体側視野（広い物体側視野とも呼ばれる）を有する場合、隣接する撮像画素の物体側視野は重なり合い、図１３にも示されるように、ぼやけた出力画像をもたらす。
【国際調査報告】
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